Влияние синего света в дорожном освещении – так есть оно или нет?

В течение последних лет в средствах массовой информации периодически всплывает тематика воздействия синего света на человека и природу. По запросу «синий свет» поисковые системы на первых же нескольких страницах выдают заголовки вроде: «Синий свет мешает спать», «Защита глаз от синего света», «Синие светодиоды вредны для глаз», «Синий свет — опасность современного мира», и даже — «Убийственная способность синего света». Вызывает тревогу, не так ли? Но помимо этого в результатах поиска присутствуют и альтернативные, позитивно-настроенные заголовки: «Лечебные свойства синего света», «Терапия синим светом», «Синий свет бодрит лучше, чем кофе», «Синий свет улучшает мышление и внимание», и, даже, безапелляционно-решительный: «От синего света умнеют». Так есть ли повод для беспокойства или, как часто бывает в СМИ, проблема сильно преувеличена? В этой статье мы попробуем в этом разобраться.

Что же такое «синий свет»?

Видимый свет, который человек воспринимает глазом, это электромагнитное излучение в диапазоне от 380 до 760 нм. Излучение с длиной волны короче, чем 380 нм – ультрафиолетовое (УФ), с длиной волны больше, чем 760 нм – инфракрасное (ИК). Такое излучение человек увидеть не может, но может ощутить его воздействие иначе: инфракрасные лучи мы ощущаем как тепло, а ультрафиолетовые делают нашу кожу загорелой.

Рисунок 1. Виды электромагнитного излучения.

Синим светом принято называть коротковолновый участок видимого диапазона электромагнитного излучения с длинами волн от 380 до 500 нм. (Хотя, строго говоря, сюда входят не только синий, но и фиолетовый, и голубой свет). Чем меньше длина волны, тем более высокой энергией обладает такое излучение и тем больше оно рассеивается. Именно из-за рассеивания коротковолновых лучей, входящих в солнечный спектр, небо имеет сине-голубой цвет — он больше всего рассеивается в атмосфере.

Как человек воспринимает свет?

После того, как свет прошёл через зрачок и попал на сетчатку, он воспринимается особыми клетками – фоторецепторами, которые реагируют на него и через зрительный нерв посылают импульс в мозг. Чуть выше зрительного нерва находится жёлтое пятно (макула) — это место наибольшей концентрации светочувствительных клеток.

Рисунок 2. Устройство человеческого глаза.

Есть два типа фоторецепторов: палочки и колбочки. Палочки отвечают за ночное зрение и работают в условиях низкой освещённости, обладая очень высокой чувствительностью. При этом цветовое восприятие практически отсутствует —«ночью все кошки серы». Колбочки же обеспечивают «дневное зрение» и бывают трёх типов – восприимчивые к синему, красному или зелёному свету.

Рисунок 3. Спектральная чувствительность фоторецепторов дневного и ночного зрения.

Распределение типов колбочек по сетчатке неравномерно: «синие» колбочки находятся ближе к периферии, в то время как «красные» и «зеленые» распределены случайным образом. В результате суммы импульсов от трех видов колбочек человек «видит» определённый цвет. При этом ощущение одного и того же цвета может быть вызвано светом с различным спектральным составом (такое явление называется метамерией). Скажем, и солнечный дневной свет, и свет от люминесцентной или светодиодной лампы мы посчитаем одинаковым — белым. Хотя на самом деле спектр излучения здесь совершенно разный, у солнца — сплошной, а у газоразрядной лампы — линейчатый.

В чём же особенность восприятия именно синего света?

1.В первую очередь, из всего видимого спектра именно синий свет несёт наибольшую долю ответственности за фотохимические повреждения сетчатки глаза. Исследования, проводимые на животных и на клеточных культурах, показали, что облучение синим светом приводит к разрушению пигментного слоя и фоторецепторов сетчатки. [9] Синий свет вызывает фотохимическую реакцию, продуцирующую свободные радикалы, которые оказывают повреждающее воздействие на фоторецепторы — колбочки и палочки. Образующиеся вследствие фотохимической реакции продукты метаболизма не могут быть нормально утилизированы эпителием сетчатки, они накапливаются и вызывают ее дегенерацию. С уменьшением длины волны излучения степень повреждений возрастает. Было доказано, что изменение тканей после длительного воздействия яркого синего света аналогично такому, какое связывают с симптомами возрастной дегенерации макулы. [1] Стоит отметить, что с возрастом хрусталик человеческого глаза желтеет и меньше пропускает синий свет.
Таким образом, в группе риска, подверженной наиболее сильному повреждающему действию, оказываются:
• дети и подростки (глаза десятилетнего ребёнка поглощают в 10 раз больше синего света, чем глаза 95-летнего старика);[7]
• люди с интраокулярными линзами (искусственным хрусталиком);
• люди с высокой светочувствительностью, проводящие много времени в условиях яркого освещения с большим количеством синей составляющей в спектре (синий свет также излучают и мониторы компьютеров, экраны смартфонов и электронные дисплеи различных приборов).

2. Помимо риска повреждения сетчатки существует и ещё одна особенность синего света: в 1991 году были открыты особые светочувствительные ганглионарные (или «ганглиозные») клетки типа ipRGC (intrinsically photosensitive retinal ganglion cells). Эти клетки реагируют именно на коротковолновую, синюю часть видимого спектра с длиной волны от 450 до 480 нм. Таким образом, в сетчатке глаза существует третий тип фоторецептора, но импульсы от ганглионарных клеток не участвуют в восприятии цветовой картинки. Они выполняют другие очень важные задачи: отвечают за своевременное изменение размера зрачка (сужение/расширение) и управляют циркадными ритмами человека. Циркадные ритмы – это наши «внутренние часы», колебания интенсивности различных биологических процессов в организме, связанные со сменой дня и ночи.

Рисунок 4. Клетки сетчатки.

Главную роль в регуляции суточных ритмов играет гормон мелатонин. Он вырабатывается эпифизом только в темноте, поэтому его также называют «гормоном сна». А синий свет (цвет неба ясным днём) вызывает реакцию ганглионарных клеток, заставляя их блокировать выработку мелатонина, в результате человек чувствует себя бодрым и не хочет спать. Многочисленные исследования показали, что люди, подвергаемые облучению синим светом, показывают большую способность к концентрации внимания и быстрее принимают сложные решения, давая большее число правильных ответов в единицу времени. Доказано, что бодрящий эффект синего света превосходит даже действие кофе — известного способа привести себя в рабочее состояние рано утром.[2, 4] Известно об эффективности светотерапии в лечении таких заболеваний, как: сезонное аффективное расстройство («зимняя депрессия»), гериартрические расстройства сна, нарушение ритма сон-пробуждение у страдающих болезнью Альцгеймера и синдромом дефицита внимания и гиперактивностью. [5]
Контроль секреции мелатонина — ключевой фактор в регуляции здоровья и циркадных ритмов человека. В ряде работпоказано, что люди, подвергающиеся воздействию светаночью (в особенностисинего света), имеют низкий уровень мелатонина иповышенную частоту развития различных заболеваний и расстройств, включаянарушения сна, психическиеболезни, неврологические болезни (болезнь Альцгеймера), сердечнососудистые заболевания, мигрень, ожирение, диабет, а также некоторые виды онкологических заболеваний, включая рак груди и простаты.[3]

Отметим, что светодиодное освещение подавляет выработку мелатонина в пять раз эффективнее, чем освещение светильниками с натриевыми лампами при том же выходном световом потоке. [16]

В спектре каких современных источников света присутствует синий свет?

В первую очередь, конечно же, синий свет присутствует в солнечном излучении. Утром и днём – в наибольшем количестве, вечером – в минимальном. Созерцание заходящего солнца совсем не вредно для глаз, а вот взглянув вверх в дневное время можно получить повреждение сетчатки. Но, как было упомянуто выше, для правильной работы организма человеку необходимо получать свою «порцию» уличного света, и для этого каждый день хотя бы 30 минут проводить вне помещения. Некоторые производители ламп даже специально добавляют синюю составляющую в свои источники света, позиционируя их как оптимальный аналог дневному солнечному свету (full-spectrumlamps). [1]

Рисунок 5. Примерные спектры излучения солнца, лампы накаливания, люминесцентной лампы.

Рисунок 6. Примерные спектры излучения натриевой лампы низкого давления, натриевой лампы высокого давления, металлогалогенной лампы.

Рисунок 7. Примерные спектры излучения галогенной лампы накаливания, холодно-белого светодиода и тёпло-белого светодиода.

Лампы накаливания и галогенные лампы содержат очень мало синего в спектре, это можно заметить и визуально — их свет тёплый, желтоватого оттенка. Люминесцентные лампы обладают линейчатым спектром, в котором присутствует узкий пик в синем диапазоне. В излучении натриевых ламп высокого давления синяя составляющая практически полностью отсутствует, есть только пик в голубой области, ближе к зелёному. Белые светодиоды, в настоящее время производимые чаще всего по технологии «синий излучающий кристалл + люминофор», разумеется, имеют один из максимумов излучения в синей зоне – это излучение собственно кристалла. Его величина относительно второго, люминофорного пика тем больше, чем холоднее цветовая температура.

Каков опыт использования в уличном освещении белых светодиодов с высоким содержанием синего света в спектре?

Холодно-белые светодиоды (с Тцв от 4000 до 6500 К) более популярны в уличном освещении чем тёпло-белые, так как имеют больший световой поток при той же потребляемой мощности, а значит более эффективны и быстрее окупаются. Когда светодиодные светильники стали выпускаться в промышленных масштабах и цены на них снизились, стало экономически выгодно повсеместно их внедрять: во многих городах Европы, в США и в России были утверждены программы по замене светильников с ртутными и натриевыми лампами на современные светодиоды. В частности, в США установлено уже более 5.7 миллионов уличных светодиодных светильников и прожекторов, и их количество продолжает расти.

Однако, с открытием особенностей синего света помимо эффективного энергосбережения обнаружились и другие стороны холодно-белого светодиодного освещения. К примеру, в 2014 году в городе Дэвис, Северная Калифорния был принят план по замене 2600 шт. уличных 90 Вт натриевых светильников светодиодными. Предварительно были испытаны две модели светильника: со световым потоком 2115 лм (Тцв=4000 К) и с потоком 2326 лм (Тцв=5700 К). По результатам испытаний было решено выбрать вариант с Тцв 4000 К. Через пять месяцев после установки приборов в городской совет начали поступать отзывы местных жителей. В большинстве своём, они были негативными: люди сообщали что «свет слишком яркий», «слишком резкий» и «слишком блёский». Уже установленные светильники пришлось заменить на аналогичные, но с более тёплой цветовой температурой 2700 К.

Рисунок 8. Светодиодное освещение на улицах Бостона. (Фото: Боб О`Коннор).

Аналогичные проблемы возникли и у жителей Нью-Йорка, Сиэтла, Филадельфии, Хьюстона. [11, 12] Свет белых светодиодов визуально совсем не похож на свет уже ставших привычными натриевых ламп. Раздражающей «блёскости» холодно-белых светодиодовесть научное объяснение: дело в том, что глаз человека фокусирует лучи с различной длинойволны в различных фокальных плоскостях - на сетчатке, либо перед ней, либо за ней.

Рисунок 9. Различия в фокусировке света разных цветов.

Синий свет, как самый коротковолновый, фокусируется перед сетчаткой, а на самой сетчатке вместо точки (исходного объекта) получается пятно (размытое, нерезкое изображение). Большая степень размытости изображения означает снижение контрастности и четкости, снижение остроты зрения. А вот если убрать синий свет, а оставить только жёлто-зелёную и красную часть излучения, то картинка для глаза станет намного более чёткой, и разглядывать отдельные объекты будет легче. Например, снайперы и спортсмены для того, чтобы чётко видеть окружающие объекты, а значит быстрее и лучше ориентироваться в обстановке,используют очки с покрытиями, отфильтровывающими синий свет.[3]

Рисунок 10. Работа фильтра, повышающего контрастность. Слева – через очки с фильтрующим покрытием, справа – без очков.

Ещё один аспект проблемы касается не людей, но представителей фауны: рассеянный в ночном небе синий свет создаёт избыточную яркость, что влияет на некоторые виды ночных животных и насекомых. В нескольких штатах США, в частности во Флориде пришлось законодательно утвердить перечень типов источников света, допустимых к использованию на прибрежных территориях. Морские черепахи, дезориентированные городским освещением, вместо того, чтобы ползти к морю (синий отражённый свет которого и должен их привлекать), направляются в сторону автомобильных дорог. Поэтому на побережьях рекомендовано использовать натриевые лампы либо янтарные светодиоды.

Что предпринимается в мире сейчас для решения проблемы синего света?

Обобщив накопленный опыт применения светодиодных источников света, в июне 2016 года Американская Медицинская Ассоциация (АМА) выпустила Руководство по повышению безопасности уличного освещения. Рекомендации, приведённые в нём, призваны помочь в выборе наиболее безопасных для здоровья людей (и окружающей среды) световых приборов. АМА полагает, что излучение светодиодов с большим содержанием синего света создаёт для водителей условия повышенной блёскости, что дискомфортно для глаз, снижает остроту зрения и может привести к аварийным ситуациям. А в случае использования в освещении дворов и придомовых территорий такие источники света могут быть причиной проблем со сном ночью, избыточной сонливости днём, как следствие — сниженной активности и даже ожирения. [14]
Чтобы минимизировать негативные эффекты, АМА рекомендует:
• использовать для освещения населённых пунктов светодиодные светильники с наименее возможным содержанием синего света (с Тцв не выше 3000К);
• диммировать источники света в часы сниженной загрузки улиц;
• использовать ограничители и защитные решётки, чтобы уменьшить количество искусственного света, попадающего в окружающую среду.
Приняв к сведению этот документ, в дополнение к просьбам горожан (150 обращений за прошедший год), Городской Совет Нью-Йорка постановил использовать светодиодные светильники более «тёплого» цвета, а также в отдельных районах уменьшить мощность световых точек. [12]

Рисунок 11. Светодиодные светильники в Куинсе. (Фото:Сэм Ходжсон)

В Сан-Франциско также сделали выбор в пользу светодиодов с низкой цветовой температурой: в 2017 году 18500 уличных светильников с натриевыми лампами будет заменено на светодиодные модели с тёпло-белой цветовой температурой. На городском сайте можно увидеть подробную карту планируемой модернизации. [17]

Рисунок 12. Онлайн-карта Сан-Франциско. Жёлтая точка – планируется к замене на светодиодный светильник, зелёная – уже заменён.

Производители световых приборов и компонентов не оставляют без отклика проблему синего света. Например, один из крупнейших производителей светодиодов компания Cree запустила в производство тёпло-белые светодиоды (Тцв=3000К) с таким же световым потоком, как и у холодно-белых светодиодов (Тцв=4000К). Технология состоит в добавлении к стандартному люминофорному холодно-белому светодиоду красного светодиода с высокой световой отдачей. Таким образом, в одном источнике света сочетаются комфортная для человека цветовая температура (как у натриевых ламп) с высокой световой отдачей и большим сроком службы. При этом количество синего света снижено с 30% (светодиоды 4000К) до 20% (3000К). [11]
В ответ на пресс-релиз АМА, Департамент Энергетики США выпустил ответное послание [18], в котором напомнил, что проблема синего света касается не только светодиодов, но и других источников света. И не только их. Помимо воздействия от осветительных приборов человек испытывает влияние синего света и от многочисленной электроники. Экран монитора, телевизор, дисплей смартфона, электронная книга с подсветкой, панель управления автомагнитолой, индикаторные светодиоды бытовой техники — всё это синий свет. А что касается светодиодов, то эта технология благодаря своей гибкости и многовариантности как никакая другая позволяет добиться наилучших результатов в городском освещении, минимизировав негативные стороны. Светодиоды отлично диммируются, их световой поток регулируется от 0 до 100%. Может быть получено практически любое светораспределение, благодаря широкому разнообразию линз и отражателей. Комбинирование светоизлучающих кристаллов разных цветов с различными же люминофорами позволяет достигнуть нужного спектрального состава.
Несмотря на отдельные негативные моменты, люди в большинстве довольны светодиодным освещением и поддерживают модернизацию в этой области, ведь белые светодиоды продолжают оставаться самым энергоэффективным источником света и на сегодняшний день уже помогли сохранить немалые деньги. Проведя замену 150 тыс. городских светильников на светодиодные, Лос-Анджелес экономит в год 8 млн. долларов. Аналогичные меры в Нью-Йорке по замене 250 тыс. светильников сохранили городскому бюджету 6 млн. долларов по расходу электроэнергии и ещё 8 млн. долларов с обслуживания световых точек. [11]

Рисунок 13. Замена натриевых ламп светодиодами. Лос-Анджелес, Хувер-стрит.

А что происходит в России?

На данный момент в Москве самая крупная система наружного освещения в мире. Это более 570 тысяч приборов, около 370 тысяч опор наружного освещения. Количество световых точек продолжает расти: только в 2012-2013 гг. в столице осветили порядка 14 тыс. дворов. Столичное правительство выделило в 2012–2016 гг. более 64 млрд руб. (в том числе более 15 млрд руб. – в 2016 г.) на подпрограмму «Развитие единой светоцветовой среды» городской коммунальной программы.
Летом 2016 года на Московском урбанистическом форуме руководитель Департамента топливно-энергетического хозяйства города Москвы Павел Ливинский рассказал о недавно принятом новом стандарте благоустройства.

Рисунок 14. Дискуссия «Функции света. Как освещение может преобразить жизнь города?» в рамках Московского урбанистического форума.

Стандарт будет применяться на улицах, во дворах и общественных пространствах Москвы. Он увязывает разнообразные варианты городских осветительных установок в единую концепцию, а так же в нём прописаны технические характеристики световых приборов, обеспечивающие максимальные энергоэффективность и качество освещения. В этом документе среди основных рекомендаций по источникам света указаны:
• использование светодиодных и металлогалогенных ламп;
• цветовая температура освещения – 2700-2800 градусов по Кельвину (К);
• индекс цветопередачи Ra 80 и более. На пешеходных улицах и в зонах уличного фронта и общественного обслуживания индекс цветопередачи R9 (насыщенный красный) должен составлять >70;
• класс бликования световых приборов G4 и выше. [21]
Ливинский подчеркнул, что тёпло-белая цветовая гамма выбрана для городского освещения именно из соображений безопасности для зрения.

Заключение.

Синий свет присутствует в излучении многих источников света: солнце, люминесцентные лампы, ртутные лампы, металлогалогенные лампы, светодиоды. Чем выше цветовая температура - тем больше синего в спектре.

Результаты многочисленных исследований о вреде синего света на данный момент можно свести к следующему:

1. Неправильное использование источников света, имеющих в спектре синюю составляющую, людьми из групп риска по зрению теоретически может привести к ухудшению состояния сетчатки: нельзя смотреть прямо на источник света в течение длительного времени, стоит позаботиться о том, чтобы свет «не бил в глаза».

2. Вред для глаз здорового человека от регулярного пребывания в местах с искусственным освещением в нормальных условиях маловероятен.

3. Независимо от вида источников света, регулярное пребывание ночью на территории с искусственным освещением в течение длительного времени (например, работа в ночную смену либо вождение автотранспорта в тёмное время суток) может быть связано с нарушениями сна, пищеварения и психологическими проблемами.

Чтобы свести к минимуму влияние особенностей синего света, при проектировании установок наружного освещения следует: • выбирать источники света тёпло-белого оттенка (с цветовой температурой от 2700 до 3000 К); • выбирать светильники с наименьшей блёскостью; • располагать их таким образом, чтобы максимальный процент светового потока попадал на освещаемую поверхность, а не в окружающее пространство.

При соблюдении этих условий будет обеспечен необходимый уровень освещённости с максимальным комфортом для зрения человека.

Технический консультант ООО «БЛ Трейд», Елена Ошуркова

Список литературы:

1. Artificial Lighting and the Blue Light Hazard, by Dan Roberts, Founding Director Macular Degeneration Support. Originally published on MDSupport, updated October 3, 2011.
2. Восприятие света как стимула незрительных реакций человека, Г.К. Брейнард, И. Провенсио, Светотехника№1, 2008.
3. Опасность синего света. HoyaVisionCare, Нидерланды. Вестник оптометрии №4, 2016.
4. Оценка влияния синего света на сон и бодрствование пожилых людей, Д. Скен, Университет Суррея, Великобритания, Светотехника №4, 2009.
5. Светотехника завтра: что самое «жгучее»? В. Ван Боммель, Нидерланды, Светотехника №3, 2010.
6. Влияние новых светотехнических приборов на здоровье и безопасность людей, Д.Х. Слайни, Светотехника№3, 2010.
7. Потенциальная опасность освещения светодиодами для глаз детей и подростков, П.П. Зак, М.А. Островский, Светотехника №3, 2012.
8. Спектры излучения светодиодов и спектр для подавления секреции мелатонина, Бижак Г., Кобав М.Б., Светотехника№3, 2012.
9. Retinal damage induced by commercial Light Emitting Diodes (LED), ImeneJaadane, Pierre Boulenguez, et al.
10. Davis, CA LED street retrofit, volt.org
11. LED Streetlights Are Giving Neighborhoods the Blues, Jeff Hecht,22 sent. 2016, spectrum.ieee.org
12. New York’s LED Streetlights: A Crime Deterrent to Some, a Nuisance to Others, Matt A.V. Chaban, July 11, 2016, nytimes.com
13. Doctors issue warning about LED streetlights, Richard G. Stevens, June 21, 2016 edition.cnn.com
14. AMA Adopts Guidance to Reduce Harm from High Intensity Street Lights, June 14, 2016, ama-assn.org
15. Ruining That Moody Urban Glow, Lionel Shriver, Oct 17, 2015, nytimes.com
16. Limiting the impact of light pollution on human health, environment and stellar visibility, Fabio Falchi, Pierantonio Cinzanoet al., 2011, sciencedirect.com
17. LED Conversion Project, sfwater.org
18. LED Street Lighting, SSL Postings US Department of Energy, June 21, 2016
19. Blue Light Hazard…or Not? Ian Ashdown, P. Eng., FIESChief Scientist, Lighting Analysts Inc., Nov 5, 2014, agi32.com
20. Освещение в городе: «три кита» света, 1 июля 2016, depteh.mos.ru
21. Распоряжение Правительства Москвы от 04.08.2016 № 387-РП «Об утверждении Сводного стандарта благоустройства улиц Москвы», mka.mos.ru
22. 6-й Московский урбанистический форум, vnisi.ru
23. Архитектурная подсветка помогает продавать недвижимость в Москве, Марина Дыкина, 19 сентября 2016, vedomosti.ru